فروریزش الکتریکی: وقتی برق، دیوار عایق را می‌شکند!
عایق و رسانا چه تفاوتی دارند؟
برای درک فروریزش الکتریکی، اول باید بدانیم مواد چگونه با جریان برق رفتار می‌کنند. به طور کلی مواد به دو دسته تقسیم می‌شوند:
| نوع ماده | رفتار در برابر جریان برق | مثال |
|---|---|---|
| رسانا | اجازه می‌دهد جریان برق به راحتی از آن عبور کند. | سیم‌های مسی، فلزات |
| عایق | مانع عبور جریان برق می‌شود. | پلاستیک، شیشه، هوا، لاستیک |
پوشش پلاستیکی روی سیم‌های برق، یک عایق است که مانع از برق‌گرفتگی ما می‌شود. اما اگر ولتاژ بین دو سر این عایق خیلی زیاد شود، ممکن است این دیوار محکم شکسته شود!
فروریزش الکتریکی چگونه رخ می‌دهد؟
همه‌ی مواد از اتم‌ها ساخته شده‌اند. در یک عایق خوب، الکترون‌ها4 (ذرات باردار منفی) به اتم‌های خود وابسته هستند و به راحتی نمی‌توانند آزادانه حرکت کنند. اما وقتی ولتاژ اعمال شده به عایق از یک حد معین بیشتر شود، این ولتاژ بالا نیروی بسیار قوی به الکترون‌ها وارد می‌کند.
این نیرو آنقدر زیاد است که می‌تواند الکترون‌ها را از اتم‌هایشان جدا کند. به این فرآیند یونیزاسیون5 می‌گویند. وقتی یک اتم یونیزه می‌شود، به یک یون6 مثبت (که الکترون از دست داده) و یک الکترون آزاد تبدیل می‌شود.
الکترون آزاد شده خود با برخورد به اتم‌های دیگر، الکترون‌های بیشتری را آزاد می‌کند. این فرآیند به صورت یک واکنش زنجیره‌ای و سریع ادامه پیدا می‌کند و در کسری از ثانیه، تعداد بسیار زیادی الکترون و یون آزاد در ماده ایجاد می‌شود. این "رودخانه" از ذرات باردار آزاد، در واقع یک مسیر رسانا در دل عایق ایجاد می‌کند و جریان برق می‌تواند به راحتی از آن عبور کند. به این لحظه، فروریزش الکتریکی می‌گویند.
ولتاژ شکست: نقطه‌ی تسلیم عایق
هر ماده‌ی عایق، یک حد تحمل دارد. به کمترین ولتاژی که باعث وقوع فروریزش الکتریکی در یک عایق می‌شود، ولتاژ شکست7 می‌گویند. این ولتاژ به جنس عایق و ضخامت آن بستگی دارد.
برای مثال، ولتاژ شکست هوا بسیار پایین‌تر از ولتاژ شکست شیشه است. این مفهوم را می‌توان با یک فرمول ساده نشان داد:
که در آن:
$ V_b $ = ولتاژ شکست (بر حسب ولت)
$ E_b $ = استحکام دی‌الکتریک8 ماده (بر حسب ولت بر متر) - این عدد نشان‌دهنده‌ی مقاومت ذاتی ماده است.
$ d $ = ضخامت عایق (بر حسب متر)
پس هرچه عایق ضخیم‌تر باشد، ولتاژ بیشتری برای شکستن آن لازم است. همچنین موادی مانند پلی‌اتیلن یا سرامیک، $ E_b $ بسیار بالاتری نسبت به هوا دارند و بنابراین عایق‌های بهتری محسوب می‌شوند.
فروریزش الکتریکی در طبیعت و فناوری
این پدیده فقط یک مفهوم تئوری نیست؛ نمونه‌های بسیار مشهوری از آن را در اطراف خود می‌بینیم و از آن استفاده می‌کنیم.
رعد و برق: معروف‌ترین مثال فروریزش الکتریکی است. ابرهای طوفانی بار الکتریکی بسیار زیادی جمع می‌کنند و ولتاژ بین ابر و زمین یا بین دو ابر، آنقدر بالا می‌رود که هوای بین آن‌ها (که در حالت عادی عایق است) دچار فروریزش می‌شود. این جرقه‌ی غول‌آسا، همان رعد و برق است.
شمعک (سیم‌پوش) جرقه‌زن در اجاق گاز: وقتی دکمه‌ی جرقه‌زن را فشار می‌دهید، یک ولتاژ بسیار بالا (چندین هزار ولت) در یک قطعه تولید می‌شود. این ولتاژ از بین دو الکترود که کمی از هم فاصله دارند، عبور داده می‌شود. ولتاژ آنقدر زیاد است که هوای بین دو الکترود را می‌شکند و یک جرقه‌ی کوچک ایجاد می‌کند که گاز را روشن می‌نماید.
فیوزهای الکتریکی: فیوز یک وسیله‌ی محافظتی است. درون آن یک نوار نازک فلزی وجود دارد. وقتی جریان برق از حد مجاز بیشتر شود، این نوار گرم شده و ذوب می‌شود (این یک نوع شکست حرارتی است، اما نتیجه‌ی نهایی قطع مدار است). در برخی فیوزهای پیشرفته، از شکست عایق برای قطع کردن سریع‌تر جریان‌های بسیار قوی استفاده می‌شود.
اشتباهات رایج و پرسش‌های مهم
پاسخ: بستگی به ماده دارد. در برخی مواد مانند هوا، پس از قطع ولتاژ بالا، مولکول‌های هوا دوباره به حالت عادی برمی‌گردند و عایق بودن خود را بازمی‌یابند (مثل وقتی که جرقه‌ی رعد و برق تمام می‌شود). اما در بسیاری از مواد جامد مانند پلاستیک یا سرامیک، فروریزش یک مسیر دائمی (مانند یک مسیر سوخته یا سوراخ) در ماده ایجاد می‌کند و آن را برای همیشه غیرقابل استفاده می‌نماید.
پاسخ: خیر! اگرچه در بسیاری از موارد (مثل خرابی وسایل برقی) نامطلوب است، اما از آن در فناوری نیز استفاده‌های مفیدی می‌شود. مثال جرقه‌زن اجاق گاز را دیدیم. در لامپ‌های فلاش دوربین‌های عکاسی و در برخی از انواع لیزرها نیز از این پدیده به طور کنترل‌شده استفاده می‌کنند.
پاسخ: این یک سوال مهم است. آب خالص (مقطر) به دلیل نداشتن ناخالصی و یون‌های آزاد، یک عایق نسبتاً خوب است. اما آبی که ما در زندگی روزمره استفاده می‌کنیم (آب لوله‌کشی، آب معدنی) حامل نمک‌ها و مواد معدنی مختلف است که به راحتی به یون تجزیه می‌شوند. وجود این یون‌ها، آب را به یک رسانای نسبتاً خوب تبدیل می‌کند. به همین دلیل است که هشدار می‌دهند با دست خیس به پریز برق دست نزنید.
فروریزش الکتریکی پدیده‌ای است که در آن یک ماده‌ی عایق، تحت تأثیر ولتاژ بسیار بالا، مقاومت خود را از دست داده و به یک مسیر رسانا تبدیل می‌شود. این اتفاق به دلیل جدا شدن الکترون‌ها از اتم‌هایشان (یونیزاسیون) و ایجاد یک مسیر هدایت‌کننده رخ می‌دهد. از نمونه‌های بارز آن می‌توان به رعد و برق و جرقه‌ی اجاق گاز اشاره کرد. درک این مفهوم به ما کمک می‌کند تا هم از خطرات برق گرفتگی آگاه باشیم و هم کاربردهای مفید آن در فناوری را درک کنیم.
پاورقی
1 فروریزش الکتریکی (Electric Breakdown)
2 عایق الکتریکی (Electrical Insulator)
3 ولتاژ بالا (High Voltage)
4 الکترون (Electron)
5 یونیزاسیون (Ionization)
6 یون (Ion)
7 ولتاژ شکست (Breakdown Voltage)
8 استحکام دی‌الکتریک (Dielectric Strength)